Photonikforscher der Rice University haben eine potenziell bahnbrechende Technologie für den Markt der Ultraviolett-Optiken entwickelt. Durch präzises Ätzen von Hunderten winziger Dreiecke auf der Oberfläche eines mikroskopisch dünnen Zinkoxidfilms haben Naomi Halas und ihr Team eine optische Linse geschaffen, die eintreffendes langwelliges UV-A-Licht in eine gebündelte Vakuum-UV-Strahlung (VUV) umwandelt. Die als „Metalinse“ (engl. „metalens“) vorgestellte neue Errungenschaft könnte in der Zukunft ganze Geräteschränke ersetzen und den Vakuum-UV-Markt aufmischen.
VUV-Strahlung wird in der Halbleiterherstellung, der Fotochemie und der Materialwissenschaft verwendet. Bisher war die Arbeit mit VUV-Strahlung kostspielig, unter anderem, weil sie von fast allen für die Herstellung herkömmlicher Linsen verwendeten Glasarten absorbiert wird.
„Diese Arbeit ist besonders vielversprechend angesichts der jüngsten Erfolge bei der Herstellung von Meta-Oberflächen mit CMOS-kompatiblen Prozessen“, bewertet Professorin Naomi Halas die jüngst veröffentlichte Metalens-Ergebnisse ihres Teams. „Dies ist zwar eine Grundlagenstudie, aber sie weist eindeutig auf eine neue Strategie für die Herstellung kompakter optischer VUV-Komponenten und -Geräte im Hochdurchsatzverfahren hin.“
Die mikroskopisch kleine Metalinse – ihr Durchmesser beträgt gerade einmal 45 Mikrometer – ist mit rund 8400 geätzten Nanodreiecken aus Zinkoxid übersäht und kann – wie Hallas Team nun zeigte – UVA-Licht von 394 Nanometer Wellenlänge in VUV-Licht von 197 Nanometer Wellenlänge umwandeln, wobei das aus der Linse austretende Licht mit einer 21-fach höheren Intensität auf einen Punkt von 1,7 Mikrometer Durchmesser fokussiert wird.
Catherine Arndt, Mitautorin der Studie und Doktorandin in Halas Forschungsgruppe, beschreibt die vordere Oberfläche der Metalinse als deren Hauptmerkmal. Auf ihr sind die ZnO-Nanoresonatoren in konzentrischen Kreisen angeordnet. „Die Grenzfläche ist der Ort, an dem sich die gesamte Physik abspielt", so Arndt. „Wir bewirken eine Phasenverschiebung des einfallenden Lichts, indem wir sowohl seine Geschwindigkeit als auch seine Richtung ändern. Dabei brauchen wir das entstehende VUV-Licht anschließend nicht zu sammeln, weil wir es mit Hilfe der Elektrodynamik direkt an der Grenzfläche, an der wir es erzeugen, schon umleiten.“
„Herkömmliche Materialien erzeugen normalerweise kein VUV-Licht“, erklärt erklärt die Physikerin weiter. „Es wird heute mit nichtlinearen Kristallen hergestellt, die sperrig und teuer sind und oft unter Exportkontrolle stehen. Das Ergebnis ist, dass VUV-Technologie ziemlich teuer ist.“
Frühere Arbeiten zeigten, dass eine Meta-Oberfläche VUV erzeugen kann, indem sie langwelliges UV durch einen Frequenzverdopplungsprozess, die so genannte Erzeugung der zweiten Harmonischen, aufwärts konvertiert. Aber VUV ist kostspielig, zum Teil, weil es nach der Erzeugung teuer nur zu manipulieren ist. Kommerziell erhältliche Systeme dafür könnten laut Arndt Schränke so groß wie Kühlschränke oder Kleinwagen füllen und Zehntausende von Dollar kosten.
„Bei der „Metalens“ versucht man nun, sowohl das Licht zu erzeugen als auch es zu manipulieren", preist die Doktorandin den neuen Ansatz. „Im sichtbaren Wellenlängenbereich ist die Metalens-Technologie sehr effizient geworden. Virtual-Reality-Headsets nutzen sie. Metalinsen wurden in den letzten Jahren auch für sichtbare und infrarote Wellenlängen demonstriert, aber niemand hatte es bisher bei kürzeren Wellenlängen geschafft. Und viele Materialien absorbieren VUV. Für uns war es also eine große Herausforderung zu sehen, ob es uns gelingen würde."
Zusammen mit Din Ping Tsai von der Universität Hong Kong, der die komplizierte Oberfläche der Metalinse herstellte, Ming Lun Tseng von Taiwan’s National Yang Ming Chiao Tung Universität und weiteren Kollegen konnte Arndt zeigen, dass Umwandlung und Fokussierung der Strahlung mithilfe der Metalinse möglich sind. Als nächsten Schritt sieht sie nun das Ausloten der Verbesserungsmöglichkeiten der neuen Linse.
Rice Universität / LK
Weitere Infos
